Delo Johna von Neumanna

John von Neumann

John von Neumann se je rodil v Budimpešti 28. decembra 1903 v bogati bančni družini, ki je bila povzdignjena v madžarsko plemstvo. Že v zgodnjem otroštvu je pokazal velik intelekt in ga označili za čudežnega dečka. Do 6. leta je von Neumann lahko govoril starogrško in si v glavi delil par 8-mestnih števil, do 8. leta pa se je naučil diferencialnega in integralnega računa. Ko je bil von Neumann star 15 let, je njegov oče poskrbel, da je Gábor Szegő služil kot njegov zasebni učitelj matematike. Na njihovi prvi lekciji so slavnega matematika Szegőja do solz spravili po ogledu hitrosti in sposobnosti mladega von Neumanna. Poleg teh neverjetnih podvigov je imel von Neumann še fotografski spomin in je lahko dobesedno recitiral celotne romane.

Von Neumann je zaključil dveletno spričevalo iz kemije na univerzi v Berlinu in doktoriral iz matematike na univerzi Pázmány Péter. Po doktoratu je von Neumann odšel na univerzo v Göttingenu, kjer je študiral pri Davidu Hilbertu, enem od pomembnih matematikov, katerega delo je pomagalo pri razvoju računalnika. Potem je von Neumann odšel na univerzo Princeton, da bi sprejel doživljenjsko imenovanje na Inštitut za napredne študije. Njegova pisarna je bila nekaj vrat stran od pisarne Alberta Einsteina in Einstein se je pritožil, da je von Neumann preglasno predvajal nemško pohodno glasbo na svojem pisarniškem fonografu.

Medtem ko je bil na Princetonu, je bil von Neumann pripeljan k projektu Manhattan. Velikokrat se je odpravil v laboratorij v Los Alamosu, da bi spremljal razvoj jedrskega orožja in bil ključnega pomena v mnogih fazah načrtovanja in gradnje obeh jedrskih orožij, padlih na Japonsko. Bil je oče prvega preizkusa atomske bombe 16. julija 1945 in je delal v odboru, ki je imel nalogo odločiti, katera dve japonski mesti bosta tarči bombe. Za sodelovanje pri projektu Manhattan je von Neumann morda največji navdih za lik dr. Strangelove v istoimenskem filmu Stanleyja Kubricka.

Dr. Čudna ljubezen

Približno v času, ko je delal na atomski bombi, je von Neumann začel delati na idejah, ki bi bile osnova računalništva. Von Neumann se je pred leti srečal z Alanom Turingom in poročila kažejo, da je na von Neumanna vplival Turingov članek "O računskih številkah"."Zaradi njegovega predhodnega dela s Hilbertom je von Neumann v odličnem položaju spoznal pomen Turingovega dela.

Leta 1945 je von Neumann, medtem ko je bil v zaključni fazi dela na projektu Manhattan, prijateljem in kolegom povedal, da razmišlja o še bolj posledičnem delu. Med vlakom v Los Alamos je von Neumann napisal dokument z naslovom "Prvi osnutek poročila o EDVAC". Ta 101-stranski dokument vsebuje zasnovo von Neumannove arhitekture, ki je od uvedbe ostala prevladujoča paradigma v računalniški arhitekturi. Arhitektura von Neumann je običajno povezana z računalniškim konceptom shranjenih programov, vključuje pa tudi 4-delno zasnovo, ki se razlikuje od drugih konceptov shranjenih programov.

Najpomembneje pa je, da je von Neumannova arhitektura računalnik s shranjenim programom. Računalniki s shranjenimi programi uporabljajo eno pomnilniško enoto za shranjevanje računalniških programov in podatkov, ki jih računalniški programi jemljejo kot vhod. Zasnova shranjenega programa je običajno v nasprotju z arhitekturo Harvard, ki uporablja ločene pomnilniške enote za shranjevanje računalniškega programa in podatkov programa.

Zamisel o arhitekturi shranjenega programa je tiho predlagalo Turingovo delo na univerzalnih Turingovih strojih, saj so ti stroji teoretične različice računalnikov s shranjenimi programi. Vendar je von Neumann priznal vrednost eksplicitnega inženiringa te lastnosti v računalnikih. Alternativni načini programiranja računalnikov so zahtevali ročno ožičenje ali ponovno ožičenje računalniških vezij, postopek je bil tako zahteven, da so bili računalniki pogosto zgrajeni za eno funkcijo in nikoli niso bili programirani. Z novo zasnovo so računalniki postali enostavno programabilni in sposobni izvajati številne različne programe; vendar je bilo treba omogočiti nadzor dostopa, da se nekaterim vrstam programov, kot so virusi, prepreči ponovno programiranje ključne programske opreme, kot je operacijski sistem.

Najbolj znana oblikovna omejitev von Neumannove arhitekture se imenuje "von Neumannovo ozko grlo". Vzrok grla von Neumann povzroča arhitektura shranjenega programa, saj si podatki in program delijo isto vodilo do centralne procesne enote. Prenos informacij iz pomnilnika v CPU je običajno veliko počasnejši od dejanske obdelave v CPU. Zasnova von Neumann poveča količino potrebnega prenosa informacij, ker je treba računalniški program in podatke programa prenesti na CPU. Eden najboljših načinov za izboljšanje tega problema je bila uporaba predpomnilnikov CPU. Predpomnilniki CPU služijo kot posredniki med glavnim pomnilnikom in CPU. Ti predpomnilniki procesorja zagotavljajo majhne količine hitro dostopnega pomnilnika v bližini jedra procesorja.

Von Neumannova arhitektura je sestavljena iz štirih delov: krmilne enote, procesorske enote (vključno z aritmetično in logično enoto (ALU)), pomnilniške enote in vhodno / izhodnih mehanizmov. Mehanizmi za vhod / izhod vključujejo standardne naprave, povezane z računalniki, vključno s tipkovnicami kot vhodi in zasloni zaslona kot izhodi. Vhodni mehanizmi pišejo v pomnilniško enoto, v kateri so shranjeni računalniški programi in podatki programa. Krmilna enota in procesorska enota sestavljata osrednji procesor. Krmilna enota usmerja centralno obdelavo v skladu z navodili, ki jih prejme. Procesorska enota vsebuje ALU, ki izvaja osnovne aritmetične ali bitne operacije nad nizom bitov. ALU lahko opravlja veliko različnih funkcij; zato je funkcija krmilne enote usmerjati ALU tako, da izvaja pravilno funkcijo na pravilnem nizu.

Von Neumannova arhitektura

Po uvedbi je arhitektura von Neumann postala standardna računalniška arhitektura, arhitektura Harvarda pa je bila prenesena na mikrokrmilnike in obdelavo signalov. Arhitektura von Neumann je v uporabi še danes, vendar so novejši in bolj zapleteni modeli, ki jih je navdihnila arhitektura von Neumann, s priljubljenostjo zasenčili prvotno arhitekturo.